KR101480894B1 - 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법에 있어서, 용융 슬래그의 온도를 1400℃-1500℃로 제어하여 온도제어 주조성형을 진행하는 단계와, 성형된 슬래그를 800℃-1000℃의 온도하에서 또한 비환원성 분위기 하에서 1-5시간 보온시킨 후, 2-5시간 내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 환원 석재원료를 얻는 단계를 포함한다. 당해 방법은 고로 슬래그의 종합 이용을 위해 에너지 절약 및 고효율적인 대책을 제공하였고, 제조해낸 환원 석재원료는 색상이 안정적이고, 마모에 견디며, 압력에 견디고, 박리되지 않으며, 팽창 계수가 작고, 수축률이 작은 특성을 가지고 있다.

Description

용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법{METHOD FOR MANUFACTURING STONE MATERIAL USING MOLTEN SLAG}

본 발명은 무기 비금속재료 분야에 관한 것으로, 더 상세하게는 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재원료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

철강야금에서 폐기되는 슬래그는 발생량이 많고 종합적으로 이용하기 어려워, 환경에 커다란 피해를 주기 시작하였으며, 산업의 발전을 제약하고 있다. 현재 이러한 폐 슬래그에 대한 처리 대책은 용광로로부터 1500-1600℃의 슬래그를 꺼낸 후, 물로 냉각시키고(제조분야에서 "물 담금질(water quenching)" 이라고 함), 슬래그를 건져내어 건조하고 분말화하여 시멘트제조에 사용한다. 이러한 공정은 단지 일부의 폐 슬래그밖에 처리할수 없으며, 더욱 중요한 것은 처리과정에서 폐수와 폐가스가 생성되고, 고로 슬래그가 갖고 있는 대량의 현열을 낭비할 뿐만 아니라 환경오염의 요인으로 된다.

현재, 고로 슬래그를 종합적으로 이용하는 분야에서의 제조와 연구는 전부 상기 물 담금질 후의 폐 슬래그에 대한 것이며, 폐 슬래그를 냉각함에 있어서의 생수(fresh water)를 소모하는 문제를 해결하지 못하였고, 슬래그의 열 에너지를 충분히 이용하지 못하였으며, 또한 2차 폐기물이 생성되고, 모든 폐 슬래그를 처리할 능력이 없다.

따라서, 대량의 슬래그를 유용한 물질로 만드는 방법이 필요하다.

본 발명의 목적은 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 용융 슬래그의 온도를 1400℃-1500℃로 제어하여 온도제어 주조성형을 진행하는 단계와, 주조된 슬래그를 800℃-1000℃의 온도하에서 또한 비환원성 분위기하에서 1-5시간 보온시킨 후, 2-5시간 내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 환원 석재원료를 얻는 단계를 포함하고, 그 중, 상기 용융 슬래그의 성분은 10-40wt%의 Al₂O₃, 5-25wt%의 MgO, 10-50wt%의 SiO₂, 10-40wt%의 CaO, 0.1-5wt%의 TiO₂, 0.1-5wt%의 FeO, 0.1-5wt%의 MnO인 것을 특징으로 한다.

더욱 구체적으로, 감온속도는 1.5-10℃/분인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 있어서, 온도제어 주조성형 단계 전에, 용융 슬래그를 보온조질(thermal refining)탱크에 인입하고 상기 슬래그의 온도를 1450℃-1600℃로 유지시키며, 제품의 요구에 따라 용융 슬래그에 대하여 성분 및/또는 색상을 조절한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 용융 슬래그의 성분은 10-20wt%의 Al₂O₃, 5-10wt%의 MgO, 20-35wt%의 SiO₂, 20-30wt%의 CaO, 0.1-5wt%의 TiO₂, 0.1-5wt%의 FeO, 0.1-5wt%의 MnO이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 성분조절제는 점토, 자토, 자석, 도토, 장석 및 석영사 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 0-10ｗt%이며, 색상조절제는 Ti, Cr, Ni, Cu, Co, Fe의 산화물 및 상기 산화물을 포함하는 광석분말과 산업폐기물(예를 들면, 산화알루미늄의 제조에서 나오는 적니) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 0-5ｗt%이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 주조성형 단계에서 상기 용융 슬래그는 금형으로 성형될 수 있고 금형 없이 임의로 성형될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 용융 슬래그는 야금반응기에서 직접 배출된 용융 슬래그 또는 다시 정련된 슬래그이다.

본 발명의 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법은 아래와 같은 장점을 갖고 있다.

1) 고로 슬래그의 종합 이용을 위해 에너지 절약 및 고효율적인 대책을 제공한다.

2) 고로에서 배출되는 용융 슬래그를 직접 이용함으로써, 원료를 용해시키는 에너지 소비를 절약할 뿐만 아니라 고로 슬래그의 물 담금질 냉각에 사용되는 물자원 소모와 2차 폐기물의 발생을 면하였다.

3) 제조한 환원 석재원료는 색상이 안정적이고, 마모에 견디며, 압력에 견디고, 박리되지 않으며, 팽창 계수가 작고, 수축률이 작은 특성을 가지고 있다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

고로 용융 슬래그는 고로 제철 제조과정에 발생되는 폐기물로서, 그 원소성분은 10-40wt%의 Al₂O₃, 5-25wt%의 MgO, 10-50wt%의 SiO₂, 10-40wt%의 CaO의 범위에서 변화되고, 소량의 FeO, C, MnO, S등 원소를 포함하며, 용액온도는 1350℃-1480℃이다. 또한, 고로 용융 슬래그의 성분은 10-20wt%의 Al₂O_{3 ,} 5-10wt%의 MgO, 20-35wt%의 SiO₂, 20-30wt%의 CaO의 범위에서 변화되고, 소량의 FeO, C, MnO, S등 원소를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 의하면, 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법을 제공하였으며, 상기 용융 슬래그의 조성성분은 10-40wt%의 Al₂O₃, 5-25wt%의 MgO, 10-50wt%의 SiO₂, 10-40wt%의 CaO， 0.1-5wt%의 TiO₂, 0.1-5wt%의 FeO, 0.1-5wt%의 MnO을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 용융 슬래그의 조성성분은 10-20wt%의 Al₂O₃, 5-10wt%의 MgO, 20-35wt%의 SiO₂, 20-30wt%의 CaO, 0.1-5wt%의 TiO₂, 0.1-5wt%의 FeO, 0.1-5wt%의 MnO을 포함할 수 있다. 또한, 상기 용융 슬래그는 야금반응기에서 직접 배출된 용융 슬래그일수 있으며, 다시 정련된 슬래그일 수도 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 고로에서 배출하는 용융 슬래그를 직접적으로 사용할 수 있기에, 원료를 용해시키는 에너지 소비를 절감할 뿐만 아니라 고로 슬래그의 물 담금질 냉각에 사용되는 물자원 소비와 2차 폐기물의 발생을 면할 수 있다.

당해 방법에 있어서, 보온조질탱크(thermal refining pool)의 내부에서 용융 슬래그의 온도를 1450℃-1600℃로 제어한다. 제품의 경도, 밀도, 색상에 대한 요구에 따라 용융 슬래그에 대하여 조질처리를 하거나 아무런 처리도 하지 않을 수 있다. 그 중, 상기 조질처리는 성분 및/또는 색상에 대한 조절을 포함한다.

더욱 구체적으로, 성분조절제는 점토, 자토, 자석, 도토, 장석 및 석영사 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 0-10ｗt%이며, 색상조절제는 Ti, Cr, Ni, Cu, Co, Fe의 산화물(예를 들면 TiO₂, Cr₂O₃, NiO, CuO, Cu₂O, CoO, FeO, Fe₂O₃등) 및 이러한 산화물을 포함하는 광석분말과 산업폐기물(예하면 산화알루미늄의 제조에서 나오는 적니)중의 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 투입량은 용융 슬래그 투입량의 0-5ｗt%이다.

계속하여, 조질된 용융 슬래그 또는 조질되지 않은 용융 슬래그의 온도를 1400℃-1500℃로 제어하여 온도제어 주조성형을 진행한다. 더욱 구체적으로, 온도제어 주조성형의 과정에서 금형으로 주조성형할 수도 있고 금형 없이 주조성형할 수도 있다. 일정한 형상과 크기를 갖는 환원 석재원료를 얻고자 할 경우, 대응된 형상과 크기의 금형으로 주조성형할 수 있다. 선택적으로, 광활한 장소에서 용융 슬래그로 하여금 중력의 작용하에서 자연적으로 성형시킬 수 있다. 이럴 경우, 형상이 다양한 석재원료를 제조하여 주택 단지, 공원 등 공공장소의 경관석에 사용할 수 있다. 구체적으로, 금형으로 주조성형하든지 아니면 금형 없이 주조성형하든지 모두 필요한 석재원료의 용도에 따라 색상조절제를 투입하여 색상을 조절할 수 있다. 선택적으로, 금형에서의 주조성형은 필요한 석재의 크기에 따라 대응하는 사이즈와 형상의 금형을 선택할 있고, 금형 없는 주조성형은 주조과정에서의 유량과 유동속도에 의해 제조하고자 하는 석재의 크기를 제어한다.

그 다음에, 주조성형 후의 슬래그가 800℃-1000℃의 온도하에서 또한 비환원성 분위기하에서 1-5시간 보온시킨 후, 2-5시간 내에 점차적으로 실온까지 낮추어 필요한 환원 석재원료(환원 석재란 제조과정에서 화성암과 유사한 물질이 생성되기에, 최종적으로 얻은 원료를 "환원석재"라 한다)를 얻는다. 그 중, 감온속도는 1.5-10℃/분이다. 감온속도가 너무 빠르면 결함이 쉽게 발생할 수 있고, 감온속도가 너무 느리면 설비와 제조효율에 영향을 미친다.

고로 용융 슬래그의 용액은 상이한 온도와 시간 조건 하에서 상이한 광물로 결정될 수 있다. 예를 들면, 고로 용융 슬래그를 1280℃의 온도 하에서 1시간 보온할 경우 황장석 광물 결정체를 주성분으로 하는 암석이 생성될 수 있고, 1000℃-900℃의 온도하에서는 투휘석을 주성분으로 하는 암석이 생성될 수 있으며, 또는 빠른 속도로 온도를 낮추어 500℃-200℃의 온도하에서 보온하도록 제어할 경우 유리상(glass phase)의 고체를 생성할 수 있고, 유리상의 고체를 다시 1100℃로 승온하도록 하여 1시간 보온할 경우 결정상 광물의 암석으로 재결정될 수 있다.

이하, 본 발명의 방법의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

실시예 1

15wt%의 Al₂O₃, 15wt%의 MgO, 30wt%의 SiO₂, 35wt%의 CaO, 1wt%의 TiO₂, 2wt%의 FeO, 2wt%의 MnO로 조성된 용융 슬래그를 사용하여, 1600℃에서 석영사를 투입하여 그 점도와 성분을 조절하였으며, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 10wt%이다. 실시예 1에서는 색상조절제를 투입하지 않는다. 그 다음, 1500℃의 온도하에서 주조성형시키고, 주조성형된 슬래그를 1000℃의 온도하에 또한 비환원성 분위기하에서 5시간 보온시킨 후, 10시간 내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 필요한 형상과 사이즈의 제품을 제조하였다.

실시예 2

14wt%의 Al₂O₃, 17wt%의 MgO, 28wt%의 SiO₂, 32wt%의 CaO, 1.5wt%의 TiO₂, 4wt%의 FeO, 3.5wt%의 MnO로 조성된 용융 슬래그를 사용하여, 1450℃에서 성분과 색상을 조절하지 않고 직접 주조성형하였다. 주조성형된 슬래그를 800℃의 온도하에 또한 비환원성 분위기하에서 1시간 보온시킨 후, 2시간 내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 필요한 형상과 사이즈의 제품을 제조하였다.

실시예 3

15wt%의 Al₂O₃, 15wt%의 MgO, 30wt%의 SiO₂, 35wt%의 CaO, 1wt%의 TiO₂, 2wt%의 FeO, 2wt%의 MnO로 조성된 용융 슬래그를 사용하여, 1500℃에서 자석을 투입하여 그 점도와 성분을 조절하였으며, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 7wt%이다. 적색 산화철(iron oxide red)을 투입하여 색상을 조절하되, 그 투입량은 2wt%이다. 그 다음, 1400℃의 온도하에서 주조성형시키고, 주조성형된 슬래그를 1000℃의 온도하에 또한 비환원성 분위기하에서 3시간 보온시킨 후, 6시간 내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 필요한 형상과 사이즈의 제품을 제조하였다.

실시예 4

14wt%의 Al₂O₃, 17wt%의 MgO, 28wt%의 SiO₂, 32wt%의 CaO, 1.5wt%의 TiO₂, 4wt%의 FeO, 3.5wt%의 MnO로 조성된 용융 슬래그를 사용하여, 1450℃에서 점토를 투입하여 그 점도와 성분을 조절하였으며, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 5wt%이다. 적색 산화철을 투입하여 색상을 조절하되, 그 투입량은 5wt%이다. 그 다음, 1400℃의 온도하에서 주조성형시키고, 주조성형된 슬래그를 900℃의 온도하에 또한 비환원성 분위기하에서 2시간 보온시킨 후, 4시간 내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 필요한 형상과 사이즈의 제품을 제조하였다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 상황하에 여러 가지 변형과 수정을 할 수 있다.

Claims (11)

1. 용융 슬래그를 보온조질탱크에 인입하고 상기 슬래그의 온도를 1450℃-1600℃로 유지시키며, 제품의 요구에 따라 용융 슬래그에 대하여 성분 및/또는 색상을 조절하되, 그중, 상기 용융 슬래그는 야금반응기에서 직접 배출된 용융 슬래그 혹은 다시 정련된 슬래그이며, 상기 용융 슬래그의 성분은 10-40wt%의 Al₂O₃, 5-25wt%의 MgO, 10-50wt%의 SiO₂, 10-40wt%의 CaO, 0.1-5wt%의 TiO₂, 0.1-5wt%의 FeO, 0.1-5wt%의 MnO이고, 성분조절제는 점토, 자토, 자석, 도토, 장석 및 석영사중의 적어도 하나를 포함하며, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 0-10ｗt%이고, 색상조절제는 Ti, Cr, Ni, Cu, Co, Fe의 산화물 및 상기 산화물을 포함하는 광석분말과 산업폐기물 중의 적어도 하나를 포함하며, 그 투입량은 용융 슬래그 투입량의 0-5ｗt%인 단계와,
   용융 슬래그의 온도를 1400℃-1500℃로 제어하여 온도제어 주조성형을 진행하는 단계와,
   성형된 슬래그를 800℃-1000℃의 온도하에서 또한 비환원성 분위기하에서 1-5시간 보온시킨 후, 2-5시간내에 점차적으로 실온까지 온도를 낮추어 환원 석재원료를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 색상조절제는 산화알루미늄의 제조에서 나오는 적니 또는 적색 산화철인 것을 특징으로 하는 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 온도제어 주조성형 단계에서 주조성형 과정은 금형에서 진행되거나 금형 없이 주조되는 것을 특징으로 하는 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   감온속도는 1.5-10℃/분인 것을 특징으로 하는 용융 슬래그를 이용하여 환원 석재 원료를 제조하는 방법.
   
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